Le L.H.C

1. Le L.H.C ...un outil pour une nouvelle Physique Robert Bouzerar / UPJV - PSC Novembre 2008

2. La quête de l'élémentarité

3. La préhistoire Vème siècle avant J.C. : Philosophie d’Empédocle Théorie des 4 éléments La combinaison ou la dissociation des quatre éléments fondamentaux de la nature : la terre, l’eau, l’air et le feu étaient à la base de tous les changements observés. L’eau et surtout le feu étaient considérés comme pouvant provoquer la fin d’un cycle cosmique, à travers le kataclysmos (déluge) et l’ekpyrosis (feu cosmique) et ramener ainsi la régénération périodique de la vie. Idées du changement perpétuel et élémentarité Au 4ème siècle avant J.C. Démocrite pense que la matière est formée de grains indivisibles : les atomes (atomos : qu'on ne peut diviser).Ces atomes sont en mouvement dans le vide et peuvent s’emboîter ensemble (atomes crochus) Mais sa démarche n'est que philosophique (le rôle de l’observation n’est pas prépondérant). Trois idées essentielles: la notion de particule « élémentaire » et d’espace vide, les interactions

4. La philosophie va accorder sa préférence à la théorie des quatre éléments (Aristote, développement de l’alchimie): Rejet du Vide… • Résurrection de la théorie de Leucippe et Démocrite au XVII-XVIIIème siècle avec Newton:Concepts de point matériel, d’interactions (les forces) et d’espace absolu (substrat de la géométrie d’Euclide identifiée au vide de Démocrite). • Bases de la Physique moderne (matérialisme) • Réintroduction de l’atome par Dalton et des combinaisons atomiques au XIXème siècle: Atomes inaltérables dotés d’une masse mesurable (théorie quantitative) qui diffère d’un type d’atome à l’autre (éléments) . Les combinaisons préfigurent la notion de réaction chimique. Bases de la chimie moderne Les ingrédients de la représentation moderne de la matière sont déjà là: Elémentarité, interactions entre particules, rôle du cadre spatio-temporel dans la dynamique des particules, relation matière/espace-temps.

5. Comment construire une physique des particules? Modèle standard: grande unification Théorie de la relativité (structure de l’espace-temps et rôle des symétries) Théorie quantique des champs: Description des particules et de leurs interactions. Théories de Jauge Mécanique quantique: description du comportement de la matière à faible échelle (subatomique) Fusion avec la relativité générale: théorie de tout

6. Méthodes d'étude de la matière

7. Projection d’un faisceau sur cible fixe Cible Faisceau incident (particules sondes, lumière, …) Particules diffusées et/ou créées Détection/Analyse Plus l’énergie du faisceau incident est élevée, plus faible est l’échelle sondée (course aux hautes énergies): révélation de la structure intime de la matière

8. Exemple historique En 1911: Rutherford étudie les particules a Diffusion par la matière Découverte du noyau atomique Modèle planétaire de l’atome

9. Collision de faisceaux circulant en sens inverse Champ magnétique Champ électrique Particule chargée (q) Particule chargée (q) Configuration du collisionneur • Principe • * une source de particules: p, e- ou ions+ (ionisation d’atomes par une décharge électrique) • * Champs électriques pour accélérer ces particules • *Champs magnétiques pour le guidage du faisceau

10. L’Electron-Volt (eV) est une unité d’énergie adaptée à l’étude des processus microscopiques: Energie cinétique acquise par un électron accéléré sous une tension de 1 Volt Préfixe Téra (T)= 1012 Préfixe Giga (G)= 109 Préfixe Méga (M)= 106

11. Présentation du L.H.C.

12. Caractéristiques L.H.C. (Large Hadron Collider) = Grand Collisionneur de Hadrons

13. 27 km de circonférence 100 m sous terre

14. Détecteur ALICE Dimensions : 26 m de long, 16 m de large, 16 m de haut  Poids : 10 000 tonnes Collision d’ ions plomb pour recréer en laboratoire les conditions qui régnaient juste après le Big Bang. Etude du plasma quarks-gluons : Les collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de 100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil

15. Détecteur CMS Dimensions : 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut Poids : 12 500 tonnes * CMS = détecteur polyvalent * Recherche du boson de Higgs et d’autres dimensions spatiales * Quête des constituants la matière noire

16. Large Hadron Collider beauty Dimensions : 21 m de long, 13 m de large et 10 m de haut Poids : 5600 tonnes LHCb destiné à comprendre l’asymétrie matière/antimatière (pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué entièrement de matière et pas d’antimatière) Etude des différences entre matière et antimatière en étudiant un type de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Recréation des premiers instants du Big Bang où les paires de quarks b/antiquarks b auraient été produites

17. Le détecteur ATLAS Dimensions : 46 m de long, 25 m de large, 25 m de haut  Poids : 7000 tonnes Recherche du boson de Higgs: Etude de l’origine de la masse des particules Nature de la matière noire (Supersymétrie) Recherche de partenaires supersymétriques des particules

18. Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont prérefroidis à l’azote liquide (10 080 tonnes) à une température -193,2°C (80 K) puis portés à -271.3 °C (1.9 K) à l’aide d’Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide )

19. Cadre de la Physique des particules

20. Premier pilier de la Physique des Particules La Relativité est l’un des pans les plus importants de la physique moderne qui comprend: *La théorie de la relativité restreinte (1905) *La théorie de la relativité générale (1915) C’est avant tout une théorie-cadre qui décrit de façon correcte les notions d’espace (longueurs mesurées) et de temps (durées mesurées): ces grandeurs sont relatives à l’observateur. Elle révèle le sens profond de l’espace et du temps physiques: le cadre dans lequel se déroulent les phénomènes n’est plus conforme à notre intuition directe (sensible) du monde… et cela parce que le sens commun s’exerce dans un monde où les vitesses sont faibles par rapport à la vitesse de la lumière. La leçon principale enseignée par la relativité est que espace et temps ne sont plus indépendants mais liés intimement au sein d’un cadre unique l’ESPACE-TEMPS DE MINKOWSKI.

21. Le principe de relativité restreinte Les deux postulats de la relativité restreinte 1°. Les lois physiques sont les mêmes dans tous les référentiels en mouvement rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres 2°. La vitesse de la lumière a toujours la même valeur dans le vide, quel que soit le référentiel. Equivalence des observateurs inertiels (points de vue) et extension de la relativité galiléenne à toute la physique Invariance de la vitesse de lumière (Exp. Michelson-Morley)

22. Second pilier de la Physique des Particules Pour concilier les notions de particule et d’onde: L’onde est un outil de prévision probabiliste du comportement de la particule (son mouvement par ex.) Onde = Champ Y – Objet associant à tout point de l’espace un nombre d’autant plus grand que l’onde y est plus marquée (amplitude plus grande) Calcul de la probabilité (intensité) « Probabilité » de trouver la particule en un point : L’onde est déterminée de façon rigoureuse et donc aussi les probabilités. On ne peut prédire que les probabilités d’occurrence des événements (réalisations des phénomènes):Les phénomènes sont soumis à un déterminisme statistique. Seules sont mesurables ces probabilités: les interférences sont un révélateur des probabilités quantiques…

23. Superpositions quantiques • L’onde de probabilité est un champ d’informations sur le système (Etat du système) • En dehors de toute mesure, toutes les possibilités sont virtuellement présentes. La mesure va sélectionner une possibilité et une seule: l’issue est gouvernée par le hasard. • Une propriété étonnante du monde quantique: On peut superposer les états possibles (ex: les états « chat de Schrödinger »)!!

24. Exemple 2 états possibles (résultats possibles des mesures) Objet quantique Etats superposés Intrication: Objets jumeaux (forment un tout indivisible) Etat du 2nd connu sans mesure!!! Mesure sur le 1er objet Quelle que soit la distance !!

25. …Mais quid des contraintes imposées par le principe de relativité?

26. Pourquoi une Mécanique Quantique Relativiste? Nécessité et difficultés • Poursuivre la voie tracée par Schrödinger pour la quantification du mouvement de particules non relativistes • La théorie de Schrödinger est conforme aux symétries de l’espace-temps de Galilée-Newton: Trouver une équation d’onde dans l’espace-temps de Minkowski • Construire un cadre rigoureux pour décrire les particules élémentaires et leurs interactions • De nombreuses difficultés • Les interactions entre particules relativistes créent de nouvelles particules (non conservation du nombre de particules) • Incompatibilité entre l’univers relativiste séparable et l’inséparabilité quantique • Le spin des particules pose problème: Une particule de spin S est représentée par une fonction d’onde à 2(2S+1) composantes! • Le rôle du temps en MQ: simple paramètre d’évolution au lieu d’être un opérateur. • Dans le cas relativiste, temps et espace sont traités sur un même pied: les particules n’ont plus de position définie…

27. Une solution: les champs quantiques Exemple: la lumière et le photon Classiquement: la lumière est une onde EM solution des équations de Maxwell Lumière enfermée dans une cavité= Ensemble d’oscillateurs harmoniques fictifs (ressorts) indépendants qui définissent les modes propres (ces oscillateurs représentent les vibrations du champ EM) l'oscillateur est un pb bien connu Quantification Modes=1,2,3,… de pulsations w1,w2,w3,… Energies possibles : w1 w2 w3 1 2 3

28. Interprétation • L’état du système (le champ EM)= ensemble des modes j et de leurs occupations nj • Chaque mode (j) contient un certain nombre de particules identiques (nj) ici ce sont les photons (quanta du champ EM)! • Nécessité du concept de vide quantique= Tous les modes sont vides (pour tous les j nj=0). En fait, état fluctuant du champ – principe d’incertitude de Heisenberg – qui peut se coupler à la matière (émission spontanée, effet Lamb, effet Casimir, …) • Deux représentations complémentaires: Aspects remplissage des modes (contenu corpusculaire) ou aspect dynamique dans l’espace-temps Y(x,t) (aspect ondulatoire) • Extension aux champs de matière • Ici l’occupation n’est pas limitée : les photons sont des bosons • Qd on quantifie les particules de matière (élecrons, quarks,…) le remplissage est limité : nj=0 ou 1 – ce sont des fermions • Les particules sont des excitations des champs quantiques associés!! • Enormes applications: EDQ, théories de jauge (interactions),…

29. Conclusion: une nouvelle réalité • Réalité fondamentale issue de la dynamique des champs quantiques et leurs interactions • Vide quantique: Le vide devient un milieu (fluctuant) invariant relativiste • Importance du vide en cosmologie (énergie sombre). Mais aussi des champs scalaires (Higgs, ..) • Propriétés étranges du vide quantique: Un observateur accéléré doit « voir » un bain thermique de particules qu’il peut détecter (effet Unruh). • Quid du principe de relativité générale: En présence de gravitation, l’espace-temps est courbé et la notion de particule devient caduque…en partie dû au défaut actuel d’une théorie quantique de la gravitation

30. Modèle standard

31. Grande unification (GUT)

32. Description quantique des forces Le mécanisme d’échange Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule de Rayonnement (boson intermédiaire) La portée D de l’interaction diminue lorsque la masse de la particule échangée augmente

33. échange d’un photon Exemple: la force EM Diffusion électron-positron Portée infinie !!

34. Bosons intermédiaires Interactions Fondamentales (4) Particules Élémentaires (12) Forces entre particules propagent les interactions Excitations élémentaires des champs quantiques matière Espace-temps Couplages entre champs quantiques créent et annihilent particules et antiparticules Champs Quantiques Matière/ forces (empruntée à G. Cohen-Tannoudji)

36. Particules Particules impliquées impliquées Interaction Interaction Charge Charge Boson Boson Forte Forte Quarks Quarks Couleur Couleur Gluons Gluons Electromagnétique Electromagnétique Quarks, leptons Quarks, leptons Charge Charge électrique électrique Photon Photon chargés chargés Quarks, leptons Quarks, leptons Isospin Isospin faible faible Bosons Bosons vecteurs vecteurs chargés chargés et et intermédiares intermédiares , , Faible Faible + + - - 0 0 neutrinos neutrinos W W , W , W Z Z Gravitation Gravitation Toutes Toutes les les Energie Energie Graviton Graviton particules particules Particules caractérisées par 3 invariants: Masse, Charge, Spin

37. Boson de Higgs D’où vient la masse des particules intermédiaires? Dans le modèle standard, mécanisme de Higgs (Higgs, Brout et Englert, 1964) rend compte des masses des bosons intermédiaires. Ce mécanisme implique l’existence d’une particule supplémentaire: le boson de Higgs, à laquelle est associée un champ quantique, le champ de Higgs. En fait (supersymétrie) il y aurait 5 bosons de Higgs dont 3 neutres et deux chargés de masses >115 GeV/c2 Champ quantique de Higgs condensé dans le vide après le Big-Bang (amplitude non nulle !!)

38. Le champ de Higgs doit être ordonné dans le vide: analogue à l’aimantation d’un milieu magnétique! Image: propagation d’une rumeur Domaines ordonnés: zones atteintes par la rumeur!!

39. Génération de masse le champ de Higgs une particule le traverse la particule acquiert sa masse (particule alourdie par la foule de Higgs)

40. Collaboration entre divers corps de métier: Cryogénistes, Physiciens, Informaticiens, Mathématiciens, … Conclusion Masse des particules (Bosons de Higgs) Nature de la matière noire LHC Mise en évidence des extradimensions spatiales Univers primordial Emergence d’une nouvelle Physique….